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廣義相對論簡介廣義相對論簡介

初步了解廣義相對論的幾個主要觀點及主要觀測證據(jù)

關注宇宙學研究的新進展教學目標

初步了解廣義相對論的幾個主要觀點及主要觀測證據(jù)

關注

廣義相對性原理和等效原理理解廣義相對論的主要結論:引力使光線彎曲和強引力場附近的時間進程會變慢。教學重點教學難點

廣義相對性原理和等效原理理解廣義相對論的主要結論:引力使狹義相對論出現(xiàn)以后,整個世界都處于震驚和贊嘆之中。而愛因斯坦卻在冷靜地思考狹義相對論無法解決的兩個問題:現(xiàn)成的理論都不涉及這個問題。萬有引力定律無法納入狹義相對論的理論框架。狹義相對論只適用于慣性系為什么慣性系具有這樣的地位?狹義相對論無法解釋1、引力問題2、非慣性系問題引力的作用以什么速度傳遞?狹義相對論出現(xiàn)以后,整個世界都處于震驚和贊嘆之中。而愛因斯坦因為上述兩個問題,狹義相對論無法解釋,愛因斯坦提出了廣義相對論。愛因斯坦人教版高中物理選修341廣義相對論簡介人教版高中物理選修341廣義相對論簡介因為上述兩個問題,狹義相對論無法解釋,愛因斯坦提出了廣義相對

理解等效原理理解廣義相對性原理廣義相對論的基本原理人教版高中物理選修341廣義相對論簡介人教版高中物理選修341廣義相對論簡介

理解等效原理理解廣義相對性原理廣義相對論的基本原理人教版1、廣義相對性原理:在任何參考系中,物理規(guī)律都是相同的。

伽利略相對性原理力學規(guī)律在任何慣性系都是相同的

愛因斯坦狹義相對性原理在不同的慣性參考系中,一切物理規(guī)律都有是相同的

愛因斯坦廣義相對論原理在任何參考系中(包括非慣系),所有的物理規(guī)律都是相同的,稱為廣義相對性原理。廣義相對論的基本原理人教版高中物理選修341廣義相對論簡介人教版高中物理選修341廣義相對論簡介1、廣義相對性原理:在任何參考系中,物理規(guī)律都是相同的。

2、等效原理:一個均勻的引力場與一個做勻加速運動的參考系等價廣義相對論的基本原理人教版高中物理選修341廣義相對論簡介人教版高中物理選修341廣義相對論簡介2、等效原理:一個均勻的引力場與一個做勻加速運動的參考系等價2、等效原理:在封閉的宇宙飛船內,一小球以某一加速度落向艙底。這可能是由于飛船處于某個星球的引力場中;

也可能飛船正在遠離任何天體的空間加速飛行。飛船內部的任何物理過程都不能告訴我們,飛船到底是在加速運動,還是停泊在一個行星的表面。一個均勻的引力場與一個做勻加速運動的參考系等價廣義相對論的基本原理人教版高中物理選修341廣義相對論簡介人教版高中物理選修341廣義相對論簡介2、等效原理:在封閉的宇宙飛船內,一小球以某一加速度落向艙底狹義相對論廣義相對論愛因斯坦相對性原理不同的慣性參考系中一切物理規(guī)律都是相同的任何參考系(包括非慣性系)中物理規(guī)律都是相同的廣義相對性原理等效原理真空中的光速在不同慣性參考系中都是相等的光速恒定一個均勻的引力場與一個做勻加速運動的參考系等價狹義相對論和廣義相對論的比較人教版高中物理選修341廣義相對論簡介人教版高中物理選修341廣義相對論簡介狹義相對論廣義相對論愛因斯坦相對性原理不同的慣性參考系中一切對于時空觀的認識狹義相對論廣義相對論光速恒定等效原理時空性質和物質的運動有關物質本身的存在決定時空的性質慣性系平權所有參考系平權狹義相對論和廣義相對論的比較人教版高中物理選修341廣義相對論簡介人教版高中物理選修341廣義相對論簡介對于時空觀的認識狹義相對論廣義相對論光速恒定等效原理時空性質繼續(xù)理解等效原理學習利用慣性力處理非慣性參考系問題慣性力人教版高中物理選修341廣義相對論簡介人教版高中物理選修341廣義相對論簡介繼續(xù)理解等效原理學習利用慣性力處理非慣性參考系問題慣性力人教如果在一個參考系中牛頓定律能夠成立,這個參考系稱作慣性參考系。牛頓運動定律不能成立的參考系則是非慣性參考系。非慣性系和慣性系人教版高中物理選修341廣義相對論簡介人教版高中物理選修341廣義相對論簡介如果在一個參考系中牛頓定律能夠成立,這個參考系稱作慣性參考系以車廂為參考系,當列車加速運行時,小球會相對于車廂加速向后運動非慣性系和慣性系光滑表面人教版高中物理選修341廣義相對論簡介人教版高中物理選修341廣義相對論簡介以車廂為參考系,當列車加速運行時,小球會相對于車廂加速向后運加速運動的列車是個非慣性參考系。為了讓牛頓定律在非慣性系中能夠成立,引入慣性力。光滑表面非慣性系和慣性系人教版高中物理選修341廣義相對論簡介人教版高中物理選修341廣義相對論簡介加速運動的列車是個非慣性參考系。為了讓牛頓定律在非慣性系中能

“-”號表示慣性力的方向與非慣性系的加速度方向相反。

非慣性系和慣性系牛頓第二定律的表達式慣性力的定義式人教版高中物理選修341廣義相對論簡介人教版高中物理選修341廣義相對論簡介

“-”號表示慣性力的方向與非慣性系的加速度方向相反。

非慣

以加速上升的電梯為參考系,我們可以認為乘坐電梯的人除了受到重力的作用,還受到一個向下的慣性力。重力和慣性力的合力使人感受到了超重。

非慣性系和慣性系人教版高中物理選修341廣義相對論簡介人教版高中物理選修341廣義相對論簡介

以加速上升的電梯為參考系,我們可以認為乘坐電梯的人除了受到

21世紀,人類在空間站中長期生活,為了克服失重帶來的不利影響,可以將空間站設計成一個大轉輪,繞軸自轉,其上各點都有一個指向轉動軸的向心加速度。因此,以空間站為參考系,與它一起旋轉的物體都受到一個背離轉動軸的慣性力,這就是所謂的人造重力。非慣性系和慣性系人教版高中物理選修341廣義相對論簡介人教版高中物理選修341廣義相對論簡介

21世紀,人類在空間站中長期生活,為了克服失重帶來的不利影質量的定義質量是決定物體慣性大小的唯一因素物體之間的萬有引力與物體的質量有關由慣性定義的質量稱為慣性質量

由引力定義的質量稱為引力質量

運動狀態(tài)難改變慣性質量和引力質量人教版高中物理選修341廣義相對論簡介人教版高中物理選修341廣義相對論簡介質量的定義質量是決定物體慣性大小的唯一因素物體之間的萬有引力位于地面且靜止加速飛行此時的質量為慣性質量此時的質量為引力質量引力和慣性力都可以使物體加速下落慣性質量和引力質量人教版高中物理選修341廣義相對論簡介人教版高中物理選修341廣義相對論簡介位于地面且靜止加速飛行此時的質量為慣性質量此時的質量為引力質慣性質量是物體被當做質點時,其慣性大小的量度“-”號表示慣性力的方向與非慣性系的加速度方向相反“m”應該叫做慣性質量牛頓第二定律的表達式慣性力的定義式慣性質量和引力質量人教版高中物理選修341廣義相對論簡介人教版高中物理選修341廣義相對論簡介慣性質量是物體被當做質點時,其慣性大小的量度“-”號表示慣性事實上,到目前為止的一切實驗研究都沒有找到慣性質量和引力質量之間的差別。這向我們提示:加速運動的參考系和萬有引力,二者之間可能存在某種深刻的聯(lián)系。慣性質量和引力質量人教版高中物理選修341廣義相對論簡介人教版高中物理選修341廣義相對論簡介事實上,到目前為止的一切實驗研究都沒有找到慣性質量和引力質量廣義相對論的兩個基本原理可以得出一些意想不到的結論人教版高中物理選修341廣義相對論簡介人教版高中物理選修341廣義相對論簡介廣義相對論的兩個基本原理可以得出一些意想不到的結論人教版高中理解引力作用下光線彎曲了解引力使時間變慢了解引力紅移現(xiàn)象廣義相對論的幾個結論人教版高中物理選修341廣義相對論簡介人教版高中物理選修341廣義相對論簡介理解引力作用下光線彎曲了解引力使時間變慢了解引力紅移現(xiàn)象廣義飛船外觀察者看到這束光是直線傳播的(水平向右)如果飛船做勻速直線運動,船上觀察者記錄下的光的徑跡是一條直線。如果飛船做勻加速運動,在光向右傳播的同時,飛船的速度也在不斷增大,因此船上觀察者記錄下的光的徑跡是一條拋物線。引力透鏡效應人教版高中物理選修341廣義相對論簡介人教版高中物理選修341廣義相對論簡介飛船外觀察者看到這束光是直線傳播的(水平向右)如果飛船做勻速假設飛船靜止,而在船尾存在一個巨大的物體,在它的引力場作用下,飛船內的物理過程受到影響。等效原理物體的引力能使光線彎曲引力場越強,彎曲越厲害引力透鏡效應人教版高中物理選修341廣義相對論簡介人教版高中物理選修341廣義相對論簡介假設飛船靜止,而在船尾存在一個巨大的物體,在它的引力場作用下由于太陽引力場的作用,我們有可能觀測到太陽后面的恒星,最好的觀測時間是發(fā)生日全食的時候通常物體的引力場都太弱,20世紀只能觀測到太陽引力場引起的光線彎曲1919年5月29日,發(fā)生日全食,英國考察隊分赴幾內亞灣和巴西進行觀測,證實了愛因斯坦的預言,這是對相對論的最早證實引力透鏡效應由于太陽引力場的作用,我們有可能觀測到太陽后面的恒星,最好的星球的強引力場能使背后傳來的光線匯聚,這種現(xiàn)象叫做引力透鏡效應宇宙中很可能存在黑洞,它不輻射電磁波,因此無法直接觀測,但是它的巨大質量和極小的體積使其附近產生極強的引力場,引力透鏡是探索黑洞的途徑之一。無法觀測黑洞引力透鏡效應星球的強引力場能使背后傳來的光線匯聚,這種現(xiàn)象叫做引力透鏡效地球表面有引力,為什么說在地球表面均勻介質中光沿直線傳播?地球表面的引力場很弱,對光的傳播方向影響很小,所以認為光沿直線傳播。

引力透鏡效應地球表面有引力,為什么說在地球表面均勻介質中光沿直線傳播?地引力場的存在使得空間不同位置的時間進程出現(xiàn)差別對于高速轉動的圓盤,除了轉動軸的位置外,各點都在做加速運動,越是靠近邊緣,加速度越大,方向指向盤心。時間間隔和引力場有關引力場的存在使得空間不同位置的時間進程出現(xiàn)差別對于高速轉動的地面上看到:越是靠近邊緣,速度越大。根據(jù)狹義相對論,靠近邊緣部位的時間進程較慢。圓盤上的人認為:盤上存在引力場,方向由盤心指向邊緣,引力勢較低。得出:引力勢較低的位置,時間進程比較慢。

時間間隔和引力場有關地面上看到:越是靠近邊緣,速度越大。根據(jù)狹義相對論,靠近引力紅移按照廣義相對論,引力場的存在使得空間不同位置的時間進程出現(xiàn)差別。宇宙中有一類恒星,體積很小,質量卻很大,叫做矮星,引力勢比地球低的多。各類星體對比時間間隔和引力場有關引力紅移按照廣義相對論,引力場的存在使得空間不同位置的時間進引力紅移矮星表面的時間進程比較慢,因此光振動會變慢,相應的光的波長變長、頻率變小,光譜線會發(fā)生向紅光一端移動的現(xiàn)象,光譜線的這種移動是在引力作用下發(fā)生的,所以叫“引力紅移”。各類星體對比時間間隔和引力場有關引力紅移矮星表面的時間進程比較慢,因此光振動會變慢,相應的光引力場的存在使得空間不同位置的桿的長度出現(xiàn)了差別地面上看到:越是靠近邊緣,速度越大。根據(jù)狹義相對論,靠近邊緣部位的桿的長度較短。圓盤上的人認為:引力勢較低的位置,桿的長度越短。引力勢由高到低變化

桿的長度與引力場有關引力場的存在使得空間不同位置的桿的長度出現(xiàn)了差別地面上看到:由于物質的存在,實際空間并不是均勻的,空間發(fā)生了“彎曲”桿的長度和引力場有關由于物質的存在,實際空間并不是均勻的,空間發(fā)生了“彎曲”桿的天文觀測顯示,行星的軌道并不是嚴格閉合的,它們的近日點(或遠日點)有進動(行星繞太陽一周后,橢圓軌道也隨之有一點轉動,叫做“進動”)。這個效應以離太陽最近的水星最為顯著,這與牛頓力學理論的計算結果有較大的偏差,而愛因斯坦的廣義相對論的計算結果與實驗觀察結果十分近似。水星近日點的進動天文觀測顯示,行星的軌道并不是嚴格閉合的,它們的近日點(或遠廣義相對論所作出的以上預言全部被實驗觀測所證實。還有其他一些事實也支持廣義相對論。目前,廣義相對論已經(jīng)在宇宙結構、宇宙演化等方面發(fā)揮了主要作用。廣義相對論的成就廣義相對論所作出的以上預言全部被實驗觀測所證實。還有其他幾何學反應的是人對空間關系的認識。歐幾里得幾何學有史以來人們只在比較小的空間尺度中接觸比較弱的引力場。這種情況下空間的彎曲可以忽略,在此基礎上人類發(fā)展了歐

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